趙文慶

（河北中興汽車制造有限公司 汽車研究院，河北 保定 071000）

隨著汽車上用電設(shè)備的增多，在汽車電氣系統(tǒng)的設(shè)計中，整車電氣系統(tǒng)的電量平衡必須進行科學(xué)計算［1］，以適應(yīng)自主品牌車型正向設(shè)計開發(fā)的需要，保證整車電氣系統(tǒng)設(shè)計的可靠性。因而，匹配準確性成為至關(guān)重要的課題。

汽車電氣系統(tǒng)的電量平衡，是指供電裝置與用電設(shè)備之間電能產(chǎn)生和消耗的相互制約關(guān)系。蓄電池的主要作用是在發(fā)動機起動時向起動機提供瞬時大電流供電；發(fā)電機是汽車上的主要供電設(shè)備，在整車正常運行狀態(tài)下保證整車電器 （除起動機外）的用電量外，還要向蓄電池充電。所以，合理地選擇蓄電池的容量及發(fā)電機的輸出功率是保證整車供電與用電平衡的必要條件［2］。

汽車的電氣系統(tǒng)分為供電系統(tǒng)和用電設(shè)備。供電系統(tǒng)主要包括發(fā)電機、蓄電池、電線束、各種開關(guān)及繼電器等。用電設(shè)備主要包括動力總成控制、各種燈光信號、安全輔助功能、空調(diào)、刮水、娛樂音響等。

根據(jù)以上概念的闡述，汽車電氣系統(tǒng)用電量平衡計算的主要工作：蓄電池選型使容量與起動機最大輸出功率的優(yōu)化匹配，保證車輛在惡劣環(huán)境溫度條件下的正常起動，同時又能夠降低蓄電池成本和消耗量；對發(fā)電機選型，使其有效輸出電量與整車電器用電量的優(yōu)化匹配，既能夠保證蓄電池正常充放電工作，延長發(fā)電機和蓄電池的壽命，又能夠降低發(fā)電機成本和油耗量。

1 整車用電量總量的模型建立

汽車上配置的所有用電設(shè)備一般不會在同一時間全部都投入工作，而許多用電設(shè)備的工作及工作時間長短，取決于季節(jié)和使用環(huán)境的變化。本文將整車復(fù)雜的用電環(huán)境系統(tǒng)化模塊化，通過細分建立整車用電模型，使整車用電這一模糊系統(tǒng)計算參數(shù)化，更便于進行嚴密推理計算。

汽車在行駛中幾種較為典型的用電情況大致可分為：平常日間、平常夜間、冬季日間、冬季夜間、冬季雪夜、夏季日間、夏季夜間、夏季雨夜［1］；根據(jù)以上使用環(huán)境考慮連續(xù)工作用電設(shè)備、短期工作用電設(shè)備和隨機工作用電設(shè)備，權(quán)值的選取是經(jīng)過本人長期實踐經(jīng)驗積累選取的，具有很強的可借鑒性。以一款皮卡汽油版為例，見表1所示負荷。

總功率計算：P=PW1+PW2+PW3=470.74+363.4+267.38=1101.52W， 最小需求Imin=P／U=1101.52／14≈78.68A， 最大需求Imax=P／U=1101.52／12≈91.79A。

2 發(fā)電機的功率選取

應(yīng)保證整車正常的運行實際供給用電設(shè)備電能和滿足蓄電池充電的要求。

表1 皮卡汽油版負荷

2.1 選型時遵循的原則

1）發(fā)電機熱態(tài)最大輸出功率大于整車綜合工況下總功率的1.3～1.5倍。

2）怠速時，輸出電流應(yīng)大于發(fā)動機點火系統(tǒng)和供油系統(tǒng)等連續(xù)用電設(shè)備所需電流。

3）考慮極限環(huán)境 （夏季雨夜工況）及增加空調(diào)、音響設(shè)備裝置等負荷的用電電流。

4）整車實際用電和蓄電池的充放電平衡，為保證蓄電池可靠地充電，使蓄電池的充放電也達到平衡。

發(fā)電機輸出電流應(yīng)滿足以下要求：①熱態(tài)最大電流需求： P熱=（PW1＋PW2）×140%=（470.74＋363.4）×1.4=1167.796W， 則I熱=P熱／14=1167.796／14=83.414A。②怠速時發(fā)電電流：怠速條件下的發(fā)電機輸出電流應(yīng)滿足連續(xù)用電設(shè)備需求電流，不小于：I1=PW1／14=470.74／14≈33.6A。 ③極限環(huán)境夏季雨夜工況，考慮增加空調(diào)及音響設(shè)備時的電流需求。負載電流：I2=（PW1＋PW2）／14=（470.74＋363.4）／14≈59.6 A。④整車電器消耗及蓄電池充電需求：發(fā)電機輸出功率除應(yīng)滿足在正常運行狀態(tài)下須保證整車電器用電量外，還應(yīng)滿足向蓄電池補充電量 （充電系數(shù)為0.05～1.5） 的要求［3］。根據(jù)蓄電池充電需求及內(nèi)阻消耗，選取充電系數(shù)為0.2；發(fā)動機應(yīng)滿足在整車隨機用電設(shè)備功率下的最大電流消耗電流時還能向蓄電池充電： I沖=Imax×（1＋0.2）≈110.148A。

綜合上述條件考慮，建議選用14V／120A發(fā)電機。

2.2 初選發(fā)電機校驗

根據(jù)初步選定的發(fā)電機，需根據(jù)公式K=R1／R2Xn預(yù)先計算怠速時的發(fā)電機轉(zhuǎn)速。

式中：n——怠速發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，取800r／min；R1——發(fā)動機的飛輪半徑，取85.5；R2——發(fā)電機的飛輪半徑，取28.6。

發(fā) 電 機 怠 速 時 ， 轉(zhuǎn) 速K=R1／R2×n=85.5／28.6×800=2391.6r／min。

選定發(fā)電機的輸出特性及曲線見圖1，由其輸出特性曲線（HOT 90℃）可得：①怠速時發(fā)電機輸出電流：80±5 A，大于33.6 A。 ②最大輸出電流≥105 A，大于理論計算值83.414 A，可滿足需求。③發(fā)電機最大輸出160 A，大于整車用電設(shè)備及蓄電池充電的最大需求110.148A。

通過上述分析計算，選定匹配該款發(fā)動機的120A發(fā)電機，可滿足整車耗電要求。

3 蓄電池容量的確定

1）蓄電池容量估算 此款發(fā)動機的起動機額定輸出功率為2.2 kW，選用的蓄電池低溫放電電流，應(yīng)大于起動機低溫起動電流，并且端電壓在放電期間的前15～30s時間內(nèi)要穩(wěn)定。起動機相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 起動機相關(guān)參數(shù)

根據(jù)經(jīng)驗公式

式中：Q20——蓄電池的額定容量，Ah；P——起動機的功率，kW；U——蓄電池的額定電壓，V。

則： Q20=（350～450）×P／U=（350～450）×2.2／12≈64.2～82.5 Ah， 故初步確定蓄電池容量的可選范圍為64.2～82.5Ah之間。

2）蓄電池的選取 由于低溫起動電流直接關(guān)系到起動機能否良好起動，一般蓄電池的低溫起動電流應(yīng)該大于起動機功率曲線圖上功率最大點對應(yīng)的起動電流。根據(jù)起動機輸出特性曲線 （圖2）可以看出：起動機輸出最大功率2.2 kW時， 需要輸入工作電流450A，而蓄電池在-18℃低溫起動電流為622 A，大于起動機的工作電流450 A，所以該款車型選用額定容量為

圖2 起動機輸出特性曲線80 Ah的蓄電池，其參數(shù)及低溫起動電流滿足起動機需求。

4 結(jié)束語

根據(jù)發(fā)電機和蓄電池的選取計算得出，該款車型選取額定容量為80Ah的蓄電池，選用14V／120A的發(fā)電機規(guī)格，經(jīng)整車可靠性試驗驗證，選取結(jié)果能滿足整車用電需求。本文經(jīng)驗公式選取以實踐為基礎(chǔ)，將復(fù)雜的用電環(huán)境模塊化用數(shù)學(xué)模型進行計算，滿足實際工程需要，區(qū)別于以往文件公式繁多，不便于實際使用。此方法已經(jīng)得到我公司眾多車型的實際驗證，是一種準確可靠的計算方法。

［1］張明森.汽車的電量平衡計算［J］.汽車電器，2010，（10）： 10-16.

［2］屈穎，李遠，楊明.整車電量平衡計算［J］.汽車電器，2014 （4）： 10-12.

［3］董利偉.乘用車整車電量平衡計算方法的研究與應(yīng)用［J］.汽車電器， 2010 （2）： 9-15.